论科学概念与概念教学，本文主要内容关键词为：概念论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
本文于1995年12月5日收到。
摘要 在自然科学教学中，概念教学是一个非常值得研究的问题。要理解这一问题，首先必须明确科学概念的性质和作用；科学概念是在感觉和知觉的基础上形成的，只有在反复实践的基础上，才能形成科学概念。所以，在自然科学教学中应充分重视概念教学，并以此为中心环节，精心组织教学过程。
关键词 科学概念；自然科学；概念教学
在自然科学教学中，概念教学是一个非常值得研究的问题。要理解这一问题，首先必须明确科学概念的性质和作用。
一、科学概念的性质和作用
科学概念是透过自然现象反映客观事物一般本质及其运动规律的思维形式。只有形成科学概念，才能把握自然界的本质和规律。科学概念的构成标志科学认识由感性到理性的飞跃。感觉、知觉等只能反映事物现象、各个片面及外部联系，而概念反映的则是事物的本质、‘事物的全体及事物的内部联系。科学概念是透过直接感知的经验材料，反映不能直接感知的隐蔽本质，揭示各要素相互联系和作用的内在图象，显露内部结构的机理和机制。作为科学抽象成果的概念，表面上似乎远离客观对象，实际上对客观本质却更为接近，因而更深刻、更正确、更完全地反映界客观事物。例如牛顿力学中的“惯性”概念，就揭示了物质具有保持自己原来速度不变的性质。人们对自然界的认识，也是由不知到知、由知之不多到知之较多的过程，是由感性的具体到抽象的规定、再到思维的具体的过程，所以概念也有其发展的两个阶段——抽象概念和具体概念。抽象概念是对具体事物某个或某些方面属性的抽象。具体概念反映的则是对象多样性的有机联系的整体，是对象许多不同规定性的统一的概念。它是科学发展的高级阶段所使用的概念。如光的波粒二象性就是这种具体概念。具体概念作为对象的同一性的概念，内部包含矛盾，矛盾的展开是一个辩证的概念体系。任何一门科学成熟的标志，表现为将已获得的知识成果，构成有一定内部结构的概念体系，反映对象的本质及发展规律。每一门学科理论体系都有几个独特的基本概念作为逻辑出发点，否则就失去了独立存在的意义。每一门学科都有其特有的以基本概念为核心的基本定律等，以及由此构成的网络结构的概念系统。比如经典力学最基本的定律是牛顿三定律，而牛顿三定律就是由力、惯性和加速度等组成的概念系统。
科学概念是人类对客观自然界认识的总结和结晶。科学认识的成果是人们通过制定概念加以总结和概括的，自然科学的成果是概念。具体概念、基本概念代表科学理论结构中的核心思想，它们反映客观事物的一般本质和矛盾关系，可以说是认识和掌握自然现象之网的网上纽结。如热力学概念“熵”就是反映本质规律和矛盾关系的对立统一体，就是热力学理论的核心思想。熵概念是为了描绘热力学不可逆过程而提出的。熵既有宏观含意，又反映微观的本质内涵。热力学孤立系统的熵增加，描述宏观状态由非平衡到平衡的进程；在统计上指示由几率小向几率大的过渡；它还说明微观本质是从有序（非对称）向无序（对称）的转化。熵和能量也是一对矛盾的概念。能量从正面量度物质运动转化的能力；熵则从反面，从能量耗散方面量度物质运动转化的能力。熵表示转化已经完成的程度，表示丧失转化能力的程度。因为科学概念是一定领域一定层次科学认识的结晶，概念是人类知识体系的组织要素或构造块，概念能对复杂的现实世界简化和概括，所以概念聚集着大量科学知识的压缩和凝结。基本概念则更具备丰富能量解释和阐明自然现象。概念形成涉及运用多种思维方式、模式和方法，概念的领悟提供了培育思维能力的条件。因此，在人类智慧长河之中，科学概念实质上发挥传递科学知识和科学思维能力的作用。列宁在《哲学笔记》中指出：“概念的关系（＝转化＝矛盾）＝逻辑的主要内容”，概念是辩证逻辑体系中主要的、基本的思维形式。概念主要不是判断和推理的组成要素，而主要是包含判断、推理在内的逻辑思维的基本形式。判断、推理主要不是概念的联结，主要是概念内在矛盾的展开。概念包含把握对象本质规律真理的大量知识；这些知识是通过一个个判断表达出来，并由判断构成的推理不断地扩展开来。因此可以说，辩证的逻辑就是概念的逻辑，概念乃是判断和推理的凝聚和浓缩。“相对论”就是一个明显的例子，它既包含狭义相对论的相对性原理和光速不变原理，又包含广义相对论的相对性原理和等价原理。还涵容从这些原理导出的一系列判断，如同时相对性、长度缩短、时钟延缓、质量增大、质能关系、光线弯曲、光谱红移等结论。
科学概念还是揭示自然界未知内幕的认识工具。科学概念可透过感知觉描述一类新事物的共同特征和属性，并可预示自然界尚不知晓的事物的运动趋势，因而它对于新鲜事物具有预见性和创造性，可带来对自然界认识的深化、精确、完善和创新。由此可见，概念不仅可以作为人们的认识成果，巩固人们已取得的知识，而且还表现为认识工具和逻辑思维活动的工具。人们是以其作为思维的工具和运算子把握对象的特性和规律性。在科学发展过程中，崭新科学概念的提出，科学概念显现突破，往往标志科学史上的革命性跃进，甚至具有划时代意义。伽利略明确提出“加速度”概念，区分和澄清了被混淆的“速度”概念，由之开辟了力学的新纪元。法拉弟和麦克斯韦正确提出“场”概念，纠正了错误的“超距作用”，又进一步建立麦克斯韦方程，深刻阐明电磁场性质，对所有宏观电磁现象作出统一、全面、本质的说明，并科学预见了电磁波的存在，实现了自然界电、磁、光的大综合，从而取得划时代的光辉成就。普朗克引入量子新概念，爱因斯坦引入光量子概念，随后导致量子力学的建立，使科学理论取得了重大进展，开创了微观领域的物理学。量子概念被移植到化学、生物学等其他学科，又开辟了新领域的新科学，如量子化学、量子生物学等。概念还是科学理论体系的出发点、基础和骨干，因而科学理论正是借助概念运算子才能从各个环节把握具体真理。如量子力学正是借助波粒二象性、测不准原理、爱因斯坦时空观和宇宙守恒等概念运算子，才得以把握微观粒子的运动规律。“受激辐射”概念的产生，就促成了激光器的发明，从而成为二十世纪一系列激光技术重大成果的先声。可见科学概念不仅仅是现实世界的认识工具，还是开创“可能新世界”的操作手段，是人们改造现实、创造新世界的技术发明手段。
二、科学概念的形成及其机制
科学概念是在感觉、知觉的基础之上形成的，所以只有在反复实践的基础上，才能形成科学概念。否则，概念就会成为无根源的概念、虚构的概念，而不会成为科学概念。但由感觉、知觉上升到科学概念是一种突变，是不连续的、跳跃的、突发的认识质变。这种突变要经过思维的科学抽象，要经过抽象、概括和辨别才可能达到。抽象使人们发现一类事物的共同属性、特征和本质。概括把具有共同属性和特征的事物归入一个范畴，从而把客观世界的无穷多样化进行整理和缩减，使人们易于认识和掌握；辨别则使人们对不同类的刺激作出重要的区分。这一不连续、跳跃、突发的抽象思维过程，人们不仅要运用比较、分析、综合、演绎、归纳等逻辑手段，还要凭借联想、类比、外推、想象、猜测等非逻辑手段。尤其在现代中，人类探索的自然层次愈加深入，研究对象的现象与本质愈加远离，从直接感知的现象，达到探查事物本质，需通过更曲折的中间环节，经历更复杂的认识转化过程。也就是说，现代科学概念的形成进程更加曲折复杂。联通实验和新理论之间难以逾越的沟壑，构建现代科学概念，不仅需要应用逻辑思维方式，还要应用直觉和形象思维方式。直觉思维方式包含直觉和灵感。直觉是对新事物新现象表现出极为敏锐的深入洞察、准确判断和本质理解的思维。灵感是指人们对反复探索未解决的问题，突然由于某种偶然因素的激发，使问题得到顿悟的一种思维。形象思维方式通过直观形象描述客观对象的一般本质及其运动规律。形象思维方式的重要心理活动是想象。想象是人们在原有知识的基础上，对表象进行重新配合和加工，创造出新的形象、新的概念的思维活动。直觉和形象思维方式都是非严密逻辑的思维方式。它们以凝聚简洁的形式直接获得科学认识，而不是通过严格的逻辑中介。它们选取不严密、不完整和不连续的逻辑，运用简化和压缩的逻辑程序以至非逻辑方法，对思维进程，人们无法做出逻辑解释。思维者不是拘泥于细节的逻辑分析，而是从整体和战略上把握事物本质。科学概念的形成需要通过假设。假设不仅要应用逻辑思维方式，还要应用直觉和形象思维方式。现代科学往往采用假说演绎法，从已有的科学知识和实验事实出发，运用直觉、灵感和想象等思维，提出猜度性假说建立新概念新理论，再由新概念和理论演绎出可检验的具体命题，最后通过实验予以验证。一般地说，经过检验的概念和理论，可以作为一定的真理而认可。由此可见，科学概念的形成，需要运用直觉和形象思维方式。问题在于人们对于直觉和形象思维方式，存在许多混淆甚至荒涎的理解。有的人认为自然科学研究和教学只需要逻辑思维，文学艺术才需要形象思维。对此，著名物理学家杨振宁曾明确指出：“中国的物理教学中有一个倾向，即是人觉得物理就是逻辑。逻辑，没有问题是物理的一个部分，可是只是逻辑的物理是不会前进的，必须还要能够跳跃。”还有人对直觉和形象思维做出许多唯心的甚至荒谬的非科学解释。其实，直觉和形象思维方式均有其生理心理基础。直觉和形象思维与逻辑思维一样是神经网络运动，是和神经元的物理、化学、生物运动相关联的。
现代脑科学的实验和研究，已经证实思维和神经网络的关联，已经深化了神经网络学说。人脑约有10[12]个神经元，每个神经元约有10[4]个突触与周围神经元发生联系。此外，神经元之间，神经元与非神经元、神经元与旁神经元、神经元与脑内其他结构之间还存在多种关联，因此构成了多层次多维非线性的宠大复杂神经网络系统。神经信息也有多种表征和传递形式，既有二进制“全或无”的电神经脉冲信息，又有多种电位差信息；既有生物电信息传递，又有多种化学物质的信息传递；电和化学传递既有一致的一面，又有二者相对独立的一面；既有神经兴奋或抑制的单一过程，又有双重信息编码的多元化多状态过程，而且突触具有可塑性，神经网络是具有可塑性的开放系统。人脑神经网络以经验为基础函数，有效地改变输入——输出关系，对信息进行收集、综合、调控、加工与解释，从而构成学习、记忆、思维、情绪与行为的基础，显现出脑功能系统是具有主动性、灵活性和创造性的自组织系统。现代人工智能研究更加证明和充实了神经网络理论。近年来，人们模拟生物脑，创制出新一代神经计算机，它的运行原则是并行分布式。神经计算机就是人工神经网络的硬件实现。在解决复杂问题时，神经计算机所做的高度并行分布式运算，即神经计算，就是神经网络的软件实现。它获取知识或存贮信息并不完全由外部编程序输入，可以经自身学习或训练而自我组织，自我生成。因此解决了人工智能多年来遇到的一些难题，特别像连续语言的识别、自然语言理解、图像模式识别和景物理解、现实世界不完善知识的处理、机器人适应性运动的控制、约束系统的组合优化、特大数据库的统计分析等问题。综上所述可以说明，现代科学已经确切证明思维（包括直觉、形象思维方式和逻辑思维方式）的生理基础是神经网络运动。
人脑神经网络具有很强的自适应与自组织特性。神经网络的贯通和形成就是经过自适应与自组织，由无序转变成为有序的。通过实践和认识，具有网络结构的自然界事物就会反映到人脑中编码形成神经网络。但反映形成网络，不是镜子式的一次完成，初始只在个别局部神经回路暂时沟通。这时人们只能认识事物的部分表面现象。经过多次重复实践和思索，人们掌握大量信息并进行整合、加工，由于神经元等之间的非线性相互作用，当随机涨落达到临界点，涨落由局部波及放大到整个系统成为巨涨落，神经联通会产生相干效应与协同现象，结果由无序转化成为有序状态，沟通和构建成神经网络系统。在神经网络基础之上，思想网络（即概念）同时形成，而且反映事物本质的概念（即序参量）起支配作用决定网络的形成。神经——思维网络形成后，具有相似性和转化性的功能，神经——思维网络具备认识和识别相似本质结构事物的能力。当相似结构模式的刺激信息输入到人脑，人们就会提取存贮于长时记忆的有关信息（有关神经——思维网络）与输入信息比较匹配，从而决定输入信息属于哪类范畴。这种对相似本质结构事物的模式识别就是神经——思维网络的相似性功能。思维网络的基本单元是概念，概念是多个同类事物的概括和抽象，所以概念形成后，可识别相似事物。神经——思维网络还具有转化性功能，即由原有网络转化成为崭新的网络。所以能够转化，是由于神经网络具有自我组织、自我调节和自我控制的能力。神经网络各部分各层次之间存在非线性的相互联系和作用，存在物质、能量和信息的交流，因而具有分化、整台及转化、协同为新形态新结构的能力。尤其是人的思考作用，可促使网络发生有目的有意识的转化。人的思索实质是强化网络中非线性相互作用，促进物质、能量和信息的流通。想象所以能对表象重新配合加工，形象思维所以能构建成新形象，奥秘就在于神经——思维网络具有转化性，具有组合和转化的能力。直觉思维方式也是神经——思维网络的一种活动。神经——思维网络可以经过组合转化，迅速构成与新事物相似结构的系统，从而新网络表现出对新事物敏锐洞察的直觉。有时人们在认识新事物过程中，经历对存贮网络多方组合及转化，仍不能构建成新网络；但由于偶然因素的激发，突然神经网络沟通，迅速形成认识新事物的新网络。这时就呈现出灵感，即经久长思偶然得之的顿悟。
总之，科学概念的形成过程，是在实践的基础上，运用直觉、形象及逻辑等思维方式，通过抽象、概括和辨别等活动的过程，其生理基础就是神经网络运动。
三、概念教学应注意的问题
依据前边的论述，在自然科学教学中应充分重视概念教学，并以此为中心环节，精心组织教学过程，同时应注意下列问题：
1.在形成概念之前，要组织学生反复观察和实验，以形成大量的感觉、知觉和表象。实验观察属于高度有意识的知觉，不是漫不经心的扫描。实验观察是一种模式识别，是将输入信息与长时记忆中有关信息进行匹配、分析、比较和决策的识别。所以，实验观察和理论思维密切相联。在实验教学中，教师要引导学生，在理论指导下，学习和应用观察思维和观察语言，指导观察实验，发展直觉、形象和逻辑思维能力。
2.概念是有内部结构的，含有大量科学知识的凝结和压缩。教学中常见的问题是，有的教师习惯于单纯要求学生背诵概念简化的定义，这是不恰当的。应该启发学生认识概念中聚集的科学知识的结晶，理解概念中的多种判断和推理，从而了解概念的丰富深刻内容。引导学生掌握概念，还要符合学生思维发展规律，构建概念要由简到繁、由低到高、由部分到全体，由抽象的规定到具体的思维而逐步形成。
3.任何一门学科和概念之间都存在内在有机联系并构成具有整体结构的概念系统。而在教学中，有的教师讲授概念和定律往往彼此孤立起来互不联系。应该教育学生从概念内部矛盾的展开，从概念和概念之间的关联，从概念体系的整体认识概念、理解概念、掌握概念的全面本质含意。在教学中应该由整体到部分再由部分到整体，采用综合——分析——再综合的方法进行系统教学。
4.启发学生在从感、知觉上升到概念时，开展主动积极的抽象思维是非常重要的。首先要引导学生敢于和善于发现问题、提出问题和探究问题。在问题的基础上，要鼓励和支持学生富于想象直觉，运用发散性思维，提出各式各样的猜想和假说。还要进一步引导学生应用收敛式思维选择和确定最佳方案或满意方案，获得科学概念和科学规律，也就是不要总应用注入式，要教育学生应用发现法。
5.应用概念和理论解决练习、习题、实验和实习等问题，也是一种重要训练。要激励学生勇于和善于求索出多种解决问题的途径，而且能优选出最有意义的办法。还要注意培育思维敏捷、灵活迅速解决问题的能力。